CHARAKTERYSTYKA PORÓW POWIETRZNYCH A MROZOODPORNOŚĆ BETONÓW NA CEMENTACH ŻUŻLOWYCH

Transkrypt

1 Zbigniew Giergiczny 1 Michał A. Glinicki 2 Marcin Sokołowski 3 Marek Zieliński 4 CHARAKTERYSTYKA PORÓW POWIETRZNYCH A MROZOODPORNOŚĆ BETONÓW NA CEMENTACH ŻUŻLOWYCH 1. Wprowadzenie Uszkodzenia betonu wskutek oddziaływania mrozu i środków odladzających są głównym powodem kosztownych napraw obiektów budownictwa komunikacyjnego. Uszkodzenia takie występują w formie spękań powierzchniowych, odprysków i złuszczeń. W celu ograniczenia tego zjawiska, niezbędne jest napowietrzanie mieszanki betonowej stosowanej do wykonania elementów konstrukcji narażonych na działanie mrozu i środków odladzających. Efektywność tej metody strukturalnej ochrony betonu została potwierdzona licznymi obserwacjami w praktyce oraz testami laboratoryjnymi [1]. Tradycyjnie do wykonywania betonów w obiektach drogowych i mostowych, stosowane są cementy portlandzkie (CEM I), jednakże ekologiczny aspekt procesu produkcji cementu wymaga coraz szerszego wykorzystania cementów zawierających dodatki mineralne (np. CEM II i CEM III). Zwłaszcza, że aktualnie produkowane cementy z dodatkami mineralnymi, szczególnie z dodatkiem granulowanego żużla wielkopiecowego, są spoiwami wysokiej jakości, nadającymi betonom odpowiednie właściwości użytkowe. Cementy portlandzkie żużlowe CEM II/A,B-S i cementy hutnicze CEM III są powszechnie stosowane w budownictwie ogólnym w wielu krajach środkowej i północnej Europy (również w Polsce), jednakże ich zastosowanie w produkcji betonów drogowych i mostowych nie jest już tak popularne. Pomimo wielu zalet cementów żużlowych [2] istnieje pewna obawa dotycząca niewystarczającej odporności na złuszczanie w obecności środków odladzających betonów wykonanych z użyciem takich spoiw [3-7]. Z powyższych względów w referacie przedstawiono wyniki prowadzonych badań, której celem było ilościowe oszacowanie struktury porów powietrznych w betonach wykonanych z użyciem cementów żużlowych (CEM II, CEM III), a także ocena odporności tych betonów na działanie mrozu i środków odladzających. 2. Opis badań 2.1. Zastosowane materiały i przygotowanie próbek Do przygotowania mieszanek betonowych zastosowano: cement portlandzki CEM I 42,5R, cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5N, cement hutniczy CEM III/A 42,5N-HSR/NA, 1 Dr hab. inż., prof. Politechniki Opolskiej; Górażdże Cement S.A 2 Doc. dr hab. inż., Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN 3 Mgr inż., Górażdże Cement S.A. 4 Dr inż., Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN 1

2 kruszywo bazaltowe frakcji 2/8mm i 8/16 mm, piasek frakcji 0/2mm, wodę wodociągową i domieszki chemiczne: superplastyfikator Glenium Sky 505 i środki napowietrzające LP 78 (syntetyczny), LP 70 (naturalny) oraz MicroAir 301-S (syntetyczno-naturalny). Podstawowe właściwości normowe cementu przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Właściwości cementów zastosowanych w badaniach Rodzaj cementu Właściwości CEM II/B-S CEM III/A CEM I 42,5R 42,5N 42,5N-HSR/NA Stałość objętości Le Chatelier, mm 0,3 0,4 0,3 Początek czasu wiązania, minuty Wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach, MPa 25,2 22,8 16,9 Wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach, MPa 38,7 37,5 31,5 Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach, MPa 51,0 54,3 53,8 Proporcje składników mieszanek betonowych zostały ustalone doświadczalnie, przy stałym współczynniku w/c=0,44 i opadzie stożka ok.150mm. Skład betonu został przedstawiony w tabeli 2. Przy doborze ilościowym i jakościowym domieszki napowietrzającej kierowano się kryterium stabilnego napowietrzenia mieszanki betonowej przy różnych rodzajach zastosowanego cementu (tabela 2). Tabela 2. Skład mieszanek betonowych - ilość składników na 1 m 3 betonu Beton wykonany z użyciem cementu Składnik CEM I 42,5R CEM II/B-S 42,5N CEM III/A 42,5N- HSR/NA Piasek 0/2 662 kg Grys bazaltowy 2/8 558 kg Grys bazaltowy 8/ kg Cement 350 kg Woda 158 dm 3 Glenium Sky 505 0,8 % m.c. 0,8 % m.c. 0,8 % m.c. LP 78 0,13 % m.c. - - LP 70 0,26 % m.c. - MicroAir 301-S - - 0,5 % m.c. Próbki betonu zostały wykonane w formach sześciennych o wymiarach boku 150mm i prostopadłościennych o wymiarach 150x150x750mm. Próbki były rozformowywane po 24 godzinach przechowywania w warunkach laboratoryjnych i do czasu badania przetrzymywane w wodzie o temperaturze 20 o C +/- 1 o C Metody badań mieszanki betonowej i betonu Właściwości mieszanki betonowej oznaczono następującymi metodami: 2

3 konsystencja mieszanki - metodą opadu stożka wg PN-EN :2001, gęstość mieszanki metodą wg PN-EN :200, zawartość powietrza - metodą ciśnieniową wg PN-EN :2001. Charakterystyka porów powietrza w mieszance została oznaczona za pomocą urządzenia AVA (ang. Air Void Analyser) zgodnie z procedurą określoną w instrukcji producenta urządzenia [8]. Właściwości betonu zostały określone metodami normowymi: wytrzymałość na ściskanie próbek sześciennych wg PN-EN :2001, wytrzymałości na zginanie na próbkach prostopadłościennych wg PN-EN :2001, głębokość penetracji wody pod ciśnieniem na próbkach sześciennych wg PN-EN :2002, nasiąkliwość na próbkach sześciennych wg PN-88/B Ocenę mrozoodporności, w obecności środków odladzających, przeprowadzono według procedury zawartej w dokumencie CEN [9]. Badaniu poddawana jest tylko jedna powierzchnia próbki betonowej poprzez cykliczne zamrażanie i rozmrażanie w 3% roztworze chlorku sodu (NaCl),. Po określonej liczbie cykli (do 56), określa się masę złuszczonego materiału na jednostkę badanej powierzchni betonu. Badaniu poddano beton po 90 dniach twardnienia. Dystrybucja porów powietrza w stwardniałym betonie została określona za pomocą komputerowo sterowanego systemu analizy obrazu. Badania przeprowadzono na wypolerowanych próbkach betonu 100x100x20mm wyciętych z próbek sześciennych. Procedura badawcza została szczegółowo opisana w [10]. Wyniki badań obejmują wielkości charakteryzujące mikrostrukturę porów powietrza, tj.: - wskaźnik rozmieszczenia porów; L [mm], - powierzchnię właściwą porów; α [1/mm], - całkowitą zawartość powietrza; A [%], - zawartość mikroporów, o średnicy mniejszej niż 0,3 mm; A 300 [%]. 3. Wyniki badań Właściwości mieszanek betonowych przedstawiono w tabeli 3. Charakterystyka rozmieszczenia porów powietrza zgodnie z normą PN-EN podana jest w tabeli 4 łącznie z danymi uzyskanymi z badania metodą AVA Tabela 3. Właściwości mieszanki betonowej Mieszanka wykonana z użyciem cementu Konsystencja - opad stożka, mm Zawartość powietrza - metoda ciśnieniowa, % CEM I 42,5R 160 6,8 CEM II/B-S 42,5N 150 5,0 CEM III/A 42,5N-HSR/NA 150 6,5. Tabela 5 przedstawia wyniki badań stwardniałego betonu po 28 dniach dojrzewania. Mrozoodporność betonu w obecności środków odladzających jest podana jako masa złuszczonego materiału po 28 i 56 cyklach zamrażania-rozmrażania (S 28 i S 56 ). Akceptowane kryteria dopuszczalnych właściwości betonu są następujące: średnia masa złuszczonego materiału z serii próbek < 1,0 kg/m 2 ; masa złuszczonego materiału z pojedynczej próbki badanego materiału 1,5 kg/m 2. 3

4 Tabela 4 Charakterystyka porów powietrznych w stwardniałym betonie określona zgodnie z PN-EN oraz w mieszance betonowej określona metodą AVA Beton wykonany z użyciem cementu Pory powietrzne w stwardniałym betonie A α L A 300 A α Pory powietrzne w mieszance betonowej (AVA) L A 300 [%] [1/mm] [mm] [%] [%] [1/mm] [mm] [%] CEM I 6,8 37,2 0,11 3,16 6,7 24,5 0,19 3,3 CEM II/B-S 3,6 26,0 0,22 1,33 4,9 28,0 0,19 2,1 CEM III/A 3,3 27,3 0,22 1,51 5,8 27,4 0,18 2,7 Tabela 5 Właściwości mechaniczne i fizyczne betonu (średnie wartości dla 3 próbek) Beton wykonany z użyciem cementu Właściwości betonu CEM III/A 42,5N- CEM I 42,5R CEM II/B-S 42,5N HSR/NA 2 dni 28,5 23,4 19,3 Wytrzymałość na 7 dni 41,2 43,2 40,3 ściskanie, MPa 28 dni 48,6 58,5 64,2 90 dni 57,2 70,4 70,5 Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu 5,4 5,5 5,8 po 28 dniach, MPa Nasiąkliwość, % 28 dni 4,8 4,6 4,3 90 dni 4,6 4,3 3,8 Głębokość penetracji wody po 28 dniach, mm Masa złuszczonego 28 cykli 0,10 0,26 0,58 materiału, kg/m 2 56 cykli 0,18 0,48 0,82 4. Omówienie wyników badań 4.1. Wytrzymałość, nasiąkliwość i mrozoodporność w obecności środków odladzających W badanych próbkach betonu wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach odpowiadała klasie betonu conajmniej C30/37. Można zauważyć, że po 28 i 90 dniach wytrzymałość betonu na ściskanie na cementach żużlowych CEM II/B-S i CEM III/A jest znacznie wyższa niż betonu na 4

5 cemencie CEM I (tabela 5). Różnice w wytrzymałości na zginanie po 28 dniach były nie większe niż 7%. Beton wykonany z cementów żużlowych charakteryzował się wysoką szczelnością (tabela 5). Uzyskane wyniki badania nasiąkliwości betonu (tabela 5), nie ujawniają znacznych różnic w zależności od rodzaju zastosowanego cementu. Nasiąkliwość w granicach 4-5% jest powszechnie uznawana za właściwą w przypadku betonu narażonego na oddziaływanie czynników korozyjnych. Rysunek 1 przedstawia zależność pomiędzy wytrzymałością na ściskanie a nasiąkliwością betonu po 28 dniach dojrzewania betonu. Stwierdzono tendencję do nieznacznego obniżania się nasiąkliwości przy zwiększającej się wytrzymałości betonu. Należy zauważyć, że mieszankę betonową zaprojektowano zgodnie z wymaganiami normowymi EN właściwymi dla klasy ekspozycji XF4: minimalna zawartość cementu: 340 kg/m 3, stosunek w/c 0,45, właściwe napowietrzenie (minimum 4%), kruszywo mrozoodporne. Co za tym idzie, bardzo dobre wyniki mrozoodporności betonu na CEM I nie są zaskakujące: masa złuszczonego materiału 0,18 kg/m 2 odpowiada ocenie bardzo dobry w normie szwedzkiej SS (S 56 < 0,2 kg/m 2 ). Jakkolwiek, użycie cementu CEM II/B-S lub CEM III/A zmniejsza mrozoodporność betonu w obecności środków odladzających, to uzyskane wyniki można uznać za pozytywne. Pomimo wzrostu ilości złuszczonego materiału, to nawet beton na cemencie hutniczym CEM III/A wciąż można ocenić jako mrozoodporny (S 56 < 1,0 kg/m 2 ). Obniżonej mrozoodporności w obecności środków odladzających nie należy tłumaczyć niską wytrzymałością betonu, ponieważ jak pokazano na rys. 1, jest ona wyższa niż wytrzymałość betonu na cemencie portlandzkim CEM I. masa złuszczonego materiału po 56 cyklach, kg/m2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 CEM II/B-S CEM III/A CEM I wytrzymałość na ściskanie fc_28, MPa nasiąkliwość, % złuszczenia nasiąkliwość Rys. 1. Wpływ wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach na nasiąkliwość po 28 dniach oraz złuszczenia betonu po 56 cyklach zamrażania/rozmrażania 4.2. Charakterystyka porów powietrznych Analiza charakterystyki porów powietrza w mieszance betonowej i stwardniałym betonie (tabela 4) ujawniła pewne znaczące różnice. Ogólna ilość powietrza w stwardniałym betonie ulegała zmniejszeniu od 6,8 do 3,3 % wraz ze wzrostem zawartości żużla w składzie cementu, pomimo, iż zawartość powietrza w mieszance wahała się pomiędzy 4,9 i 6,7%. W przypadku betonu na cemencie CEM I uzyskano najlepszą korelację, co do całkowitej zawartości powietrza określonej przy użyciu trzech użytych metod. Jakkolwiek, wiadomo jest, że AVA zostało zastosowane w kilku projektach w USA [12], to jednocześnie wyniki tych badań dowodzą, że pomiar AVA wskazuje zawartość powietrza o średnio 2 % mniejszą niż pomiar metodą ciśnieniową. Może być to spowodowane przez fakt, że pomiar AVA nie obejmuje 5

6 dużych porów powietrznych. Duże pory są traktowane jako powietrze uwięzione i zazwyczaj stanowią około 1,5 do 2,5% objętości betonu. Tak wyraźna różnica pomiędzy całkowitą zawartością powietrza w mieszance nie została zaobserwowana w obecnych wynikach badań. (a) (b) zawartość porów, % 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, zakres średnic porów, µm zawartość porów, % 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, zakres średnic porów, µm (c) 1,20 zawartość porów, % 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Rys.2. Rozkład porów powietrza określony według normy PN- EN w betonie na cemencie CEM I 42,5 (a), CEM II/B-S 42,5N (b) oraz CEM III/A 42,5N-HSR/NA (c) zakres średnic porów, µm Rozkład wielkości porów powietrza w stwardniałym betonie określono przyjmując uproszczenia opisane w normie PN-EN i zilustrowano na rys.2 a-c jako zawartość pęcherzyków powietrza, o średnicy 0-10 µm, µm, µm, µm (nie sklasyfikowano cząstek powietrza w skali powyżej µm). Wykresy na rys. 2 pokazują tendencję do zmiany ich rozkładu w zależności od rodzaju cementu: zwiększona zawartość żużla w cemencie związana jest z malejącym udziałem mniejszych porów powietrza. Potwierdza to również zaobserwowany spadek powierzchni właściwej porów (tabela 4). W nienapowietrzonym betonie praktycznie nie występują pory powietrza o średnicy < 300 µm. Obserwowany rozkład porów powietrza w betonach na cementach żużlowych (CEM II/B-S i CEM III/A) w zasadzie odpowiadał charakterystyce trwałego betonu. Jakkolwiek, pomimo zapewnienia właściwej kontroli i wysiłków technologicznych podczas procesu napowietrzania, zwiększanie ilości żużla w cemencie powodowało pewne zaburzenia w rozkładzie porów powietrza. Takie tendencje zostały również zauważone przez Stark a i Ludwig a [6], a powody takich interakcji środków napowietrzających w cementach żużlowych powinny zostać w przyszłości przeanalizowane. Zaobserwowane zaburzenia w charakterystyce porów powietrza w stwardniałym betonie można powiązać ze zmniejszona odpornością na działanie środków odladzających, czyli zwiększoną masą złuszczonego materiału w testach normowych. Pokazano to na rys. 3 dla betonów na. cementach CEM I i CEM II/B-S, natomiast w przypadku betonu na cemencie CEM III/A masa złuszczeń jest nieproporcjonalnie wysoka. Zaobserwowana większa ilość złuszczeń pojawia się pomimo zwiększenia wytrzymałości betonu na ściskanie i rozciąganie przy 6

7 zginaniu. Wynikać to prawdopodobnie tylko ze słabszej powierzchni betonu. Zasugerowano w [13], że występowanie słabszej powierzchni w betonach na cemencie żużlowym jest wynikiem zjawiska "bleedingu". Karbonatyzacja betonu na cemencie żużlowym ma również istotny wpływ na zwiększenie ilości złuszczeń [14]. Jednakże, pielęgnacja betonu zastosowana w tym badaniu wykluczyła jakikolwiek znaczący wpływ procesu nasycania się dwutlenkiem węgla. Co za tym idzie, zaobserwowany spadek odporności na działanie środków odladzających może być wynikiem wyłącznie zaburzeń w charakterystyce porów powietrznych i prawdopodobnie, niższej wytrzymałości betonu na powierzchni. Ten ostatni czynnik może być związany ze stopniem hydratacji, który jest niższy dla cementów żużlowych niż dla cementów portlandzkich we wczesnych i normowych okresach twardnienia. Zgodnie z [11] struktura betonu jest bardzo różna pomimo tego samego poziomu wytrzymałości betonów na cementach żużlowych i cemencie portlandzkim. 1 masa złuszczonego materiału, kg/m2 0,8 0,6 0,4 0,2 CEM I CEM I CEM III/A CEM II/B-S CEM III/A CEM II/B-S 56 cykli 28 cykli 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 wskaźnik rozmieszczenia porów, mm Rys. 3. Zależność wskaźnika rozmieszczenia porów powietrza i mrozoodporności obecności środków odladzających w betonie zawierającym cementy CEM I 42,5R; CEM II/B-S 42,5N; CEM III/A 42,5N-HSR/NA 5. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: 1. Właściwości betonu napowietrzonego z cementami żużlowymi CEM II/B-S 42,5N i CEM III/A 42,5N-HSR/NA, sprawdzane po 90 dniach, odpowiadają wymaganiom dla betonu mrozoodpornego, eksploatowanego w obecności środków odladzających, właściwego w aplikacjach zewnętrznych i obiektach inżynieryjnych. 2. Masa złuszczonego materiału po testach mrozoodporności została zwiększona czterokrotnie w przypadku betonu na cemencie hutniczym CEM III/A, pomimo wyższej wytrzymałości na ściskanie i na rozciąganie przy zginaniu oraz obniżonej nasiąkliwości i mniejszej głębokości penetracji wody w betonie. 3. Zastosowanie cementu o większej zawartości żużla spowodowało zmniejszenie ogólnej ilości powietrza w stwardniałym betonie o więcej niż 3% i zwiększenie wskaźnika rozmieszczenia porów powietrza o więcej niż 0,1mm. Co więcej, wzrost zawartości żużla wpłynął na zaburzenia dystrybucji cząstek powietrza poprzez zmniejszenie zawartości mikroporów o więcej niż 1,6%. 4. Zwiększenie masy złuszczonego materiału było proporcjonalne do zwiększenia wskaźnika rozmieszczenia, poza betonem na cemencie CEM III/A wykazującym przyśpieszone złuszczanie. 7

8 Literatura [1] Pigeon M., Marchand J., Pleau R., Frost resistant concrete, Construction and Building Materials 1996; 10 (5): [2] Bijen J., Blast furnace slag cement. Association of the Netherlands Cement Industry, Hertogenbosch, [3] Osborne G.J., Durability of Portland blast-furnace slag cement concrete, Cement and Concrete Composites 1999; 21: [4] Panesar D.K., Chidiac S.E., Multi-variable statistical analysis for scaling resistance of concrete containing GGBFS, Cement and Concrete Composites 2007; 29: [5] Deja J., Freezing and de-icing salt resistance of blast furnace slag concretes, Cement and Concrete Composites 2003; 25: [6] Stark J., Ludwig H.M., Freeze - de-icing salt resistance of concretes containing cement rich in slag, in: Proc. Int. RILEM Workshop, Essen, E&FN SPON, 1997, p [7] Boos P., Eriksson B.E., Giergiczny Z., Haerdtl R., Laboratory Testing of Frost Resistance Do these Tests indicate the real performance of Blended Cements?, XII International Congress of Cement Chemistry, Montreal, 2007 [8] The Air Void Aanlayzer manual instruction by GERMANN INSTRUMENTS [9] CEN/TS :2006 Testing hardened concrete - Part 9: Freeze-thaw resistance - Scaling, European Committee for Standarization, Brussels, 2006 [10] Załocha D., Kasperkiewicz J., Analiza obrazu w ocenie struktury porów powietrznych w betonie napowietrzonym, DROGI i MOSTY 2002; 2: [11] Rendchen K., Hüttensandhaltiger Zement: Verkehrsbau, Wasserbau, Kanalisation, Verlag Bau+Technik, Düseldorf, 2002, p [12] De Schutter G., Audenaert K., Evaluation of water absorption of concrete as a measure for resistance against carbonation and chloride migration, Materials and Structures 2004; 37: [13] Valeza J.J., Scherer G.W., A review of salt scaling: I. Phenomenology, Cement and Concrete Research 2007; 37: [14] Gunter M., Bier Th., Hilsdorf H., Effect of curing and type of cement on the resistance of concrete to freezing in deicing salt solution, in: J.Scanlon (ed.), ACI Special Publication SP-100, American Concrete Institute, Detroit, 1987, p AIR VOIDS AND FROST RESISTANCE OF CONCRETE BASED ON CEMENTS CONTAINING GROUND GRANULATED BLAST FURNACE SLAG The experimental investigation on the frost salt scaling resistance of air-entrained concrete containing CEM II/B-S 42.5N and CEM III/A 42.5N-HSR/NA slag cements was performed. The air-void system in concrete was evaluated in fresh concrete using AVA and in hardened concrete using an automated image analysis procedure. The mass of scaled material was increased for an increased slag content, in spite of increased compressive and flexural strength, decreased water absorption and depth of water penetration of concrete. Increasing slag content resulted in a decrease of the total volume of air in hardened concrete and in a corruption of the air void system exhibited by a decrease of micropores content. The increase of mass of scaled material was proportional to the increase of the spacing factor of air voids, except for CEM III/A cement concrete exhibiting accelerated scaling. Praca częściowo finansowana ze środków budżetowych na naukę ramach Projektu Badawczego T07E (M.A. Glinicki i M.Zieliński). 8